整机环境下离心压气机叶轮流固耦合不确定性量化分析

针对流固耦合不确定性量化计算中精度和成本难以有效平衡的问题,从某涡轮增压器离心压气机双向流固耦合计算出发,提出了考虑叶片热态变形和蜗壳非对称影响的离心压气机内流场计算简化模型,并结合集成代理模型和蒙特卡罗方法,开展了整机环境下离心压气机叶轮流固耦合的不确定性量化分析。数值结果表明:在保证计算精度的前提下,相较于整机流固耦合模型,提出的简化模型将计算时间缩短了83%~98%;材料属性不确定性对叶轮效率的影响大于转速不确定性,密度、泊松比和弹性模量3种不确定性因素对叶轮效率的影响程度相当,转速对叶片热态变形不确定性的影响程度在转速不确定性中最为显著;叶片热态变形不确定性对叶轮效率的影响主要体现在效率均值的变化,而与热态变形无关的转速自身、叶轮出口非对称流场等不确定性因素对叶轮效率的影响主要体现在分散度的变化。研究工作突显了流固耦合分析在离心压气机不确定性量化分析中的必要性,为今后开展鲁棒优化设计提供了理论基础。

离心压气机进口径向总压畸变不确定性分析

针对离心压气机实际运行过程中的进口畸变不确定性问题,提出了一种离心压气机进口径向总压畸变不确定性参数化表征模型。以跨声速Radiver离心压气机为研究对象,采用非嵌入式多项式混沌法和Sobol敏感性分析方法,研究了压气机气动性能受叶尖畸变、轮毂畸变两类进口径向总压畸变不确定性的影响,获得了对压气机气动性能影响最为显著的不确定性因素,并分析了不确定性因素影响压气机气动性能的相关流动机理。结果表明:相比于均匀来流,叶尖畸变、轮毂畸变均使压气机级多变效率下降近1.0%;轮毂畸变、叶尖畸变分别对级总压比、扩压器总压损失系数带来的影响较为显著,级多变效率受轮毂畸变影响下降1.4%,叶尖畸变使损失系数增大11.0%;相较于轮毂侧和叶尖侧畸变峰之间的相对位置,压气机气动性能对畸变峰的数值大小更敏感;受进口径向总压畸变影响下的压气机的性能恶化与扩压器叶片进口冲角不均匀分布导致的流动分离现象密切相关。研究工作表明了进口畸变不确定性在离心压气机不确定性分析中的重要性,对未来发展离心压气机鲁棒优化设计具有一定的学术意义和工程应用价值。

基于可调叶高扩压器的离心压气机构型流动机理研究

离心叶轮/扩压器匹配关系恶化直接限制了离心压气机的稳定工作范围.以Radiver离心压气机为研究对象,借助经过校核的数值模拟方法开展了基于可调叶高扩压器的离心压气机叶轮/扩压器匹配关系及流动机理研究.结果表明:通过建立能够指导扩压器叶高调节方向和量值的“压气机工作流量-扩压器最佳叶高”正相关对应关系,即可在压气机近失稳点等小流量点主动降低扩压器叶高以改善压气机稳定工作裕度.在设计转速下,引入可调叶高扩压器能够使离心压气机的稳定裕度提升18.8%、流量范围拓宽385%且峰值效率提高0.45%;随着压气机工作点向小流量工况偏移,降低扩压器叶高可以抑制扩压器来流正攻角,优化重构其通道内部涡系结构,减小扩压器吸力面和压力面/轮毂角区的低速区,进而改善叶轮/扩压器匹配关系,抑制扩压器内部流动失稳发生,提升离心压气机稳定裕度和效率指标.

叶片变形对涡轮增压器用离心压气机气动性能的影响及机理

为了研究叶片变形对涡轮增压器用离心压气机气动性能的影响,采用流固耦合方法计算设计转速下近喘振点、最高效率点和近阻塞点三个工况处的压气机性能。研究结果表明:叶片变形主要受离心载荷的影响,其影响占比为92.11%~97.22%,叶片最大变形发生在主叶片前缘叶顶处,叶轮最大应力发生在叶轮轴孔底部;从近阻塞点到近喘振点,气动载荷引起的叶片变形不断增大,约占叶片总变形的2.78%~7.89%;变形后压气机效率和压比分别提高0.3%和0.06%,阻塞流量有所减小;发现气动载荷导致的变形方向与离心载荷导致的变形方向相反,叶片变形主要通过改变叶顶间隙来影响离心压气机的气动性能。研究成果为离心压缩机气动及预变形设计优化提供了参考依据。

叶顶间隙对离心压气机性能的影响机理研究

为明确叶顶间隙对离心压气机性能影响的机理,采用数值模拟方法对不同叶顶间隙尺寸下的离心压气机叶顶泄漏涡和流动损失进行了研究。首先,对实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了数值模拟的可靠性;然后,分析了不同叶顶间隙下压气机等熵效率及压比的变化趋势;最后,对内部流动特性进行了分析,阐述了不同间隙下叶轮内部涡结构变化形态、泄漏流流线分布及沿流动方向的熵变化规律,揭示了不同叶顶间隙对压气机性能的影响机理。研究结果表明:叶顶间隙比从0.018增加到0.054时,全工况范围内效率下降最大变化量分别为0.7%、0.6%、0.4%及0.2%,压比整体下降幅度保持在0.3%左右。叶顶泄漏流与主流掺混形成叶顶泄漏涡和叶顶分离涡,其中叶顶泄漏涡是主要损失来源。随着叶顶间隙比增大,靠近叶片前缘20%流向范围内的流动损失变化较小,靠近叶片尾缘40%范围内的损失增大。叶顶间隙比增加导致泄漏涡尺寸增大从而降低有效过流面积,是造成压气机性能下降的主要原因。

离心压气机叶片载荷对间隙敏感性的影响

为了研究压气机叶片载荷分布影响间隙敏感性的机理,对2款叶型在不同间隙下的流动结构及不可逆损失来源进行了分析。结果表明,相对于前部加载叶型,中部加载叶型可以降低叶轮效率对间隙的敏感性,效率衰减斜率会随着设计载荷后移而减小,幅度可达14%;间隙泄漏流与主流的掺混损失对间隙变化带来的叶轮损失的增加起主导作用,占比接近70%;对于前部加载叶型,在25%流向位置附近存在二次泄漏现象,间隙增大后,二次泄漏流继续增强,进而引发三次泄漏,中部加载叶型无此现象;叶片载荷加载方式对间隙敏感性产生作用的主要机理是,前载叶片在间隙增大时,具有更强的通道二次流和泄漏涡结构,进而会带来更高的熵产率和损失,引起压气机效率下降更快带来间隙敏感性增加;通过优化通道内二次流和泄漏涡结构,有利于得到间隙敏感性更低的气动设计。研究结果可为研制低间隙敏感度高性能的压气机提供参考。

适用于氢储能及运输的大流量离心压气机进口级优化设计及特性分析

为了提升氢气离心压气机进口级等熵效率,利用自主开发的氢气离心压气机进口级一维优化设计程序,结合BP神经网络与遗传算法,对进口级进行一维优化设计。基于优化结果,采用三维造型软件构建了叶轮模型,并通过NUMECA软件进行了设计工况及变工况下的性能与流场分析。结果表明,优化后的氢气离心压气机进口级在设计工况下压比达1.071,等熵效率高达86.34%,内部气流流动正常,没有明显的气流分离现象,有较大稳定工作范围,气动性能良好。研究结果可为离心压气机进口级的优化设计提供参考。

高流量裕度离心压气机叶片表面微坑结构研究

压气机工作稳定性对发动机整机的工作稳定性及性能影响有诱导及放大作用,因此要求压气机的流量裕度越宽越好,以适应发动机变工况下的工作稳定性。基于“高尔夫球效应”提出一种在主流叶片吸力面部位分布微坑的新型叶片结构,采用CFX流体动力学软件对某型离心式压气机叶轮流动进行数值模拟,研究在主流叶片吸力面不同部位添加半径为0.25~0.30 mm的微坑结构对结构性能及流量裕度的影响。结果表明:在主流叶片吸力面前缘和尾缘添加微坑可提升流量裕度,当微坑半径为0.30 mm时流量裕度效果最好,分别提升3.01%和3.15%;新结构叶片结构的使用增加了压气机流量裕度,为离心压气机叶轮的设计提供参考依据。

分流叶片长度对离心压气机性能的影响

离心压气机是一种低功率、小流量、高转速、高压力的旋转机械,其通常带有分流叶片设计,通过改变分流叶片长度,采用数值模拟方法对原始叶轮进行变型设计,研究分流叶片长度对压气机性能的影响及其变化规律。研究表明,分流叶片的长度并不是越长越好,也不是越短越好,只有合适的分流叶片长度才能较好地提高压气机的性能。对于带有分流叶片的离心压气机叶轮,当分流叶片叶根子午弧长度与主叶片的叶根子午弧长度比例系数为N=0.6389时,压气机性能最优,此结果可为开发和研究带有分流叶片的离心压气机提供一定的参考。

船用离心压气机叶片包角对气动性能的影响

作为离心压气机的核心部件,叶轮对压气机的整体气动性能起到了至关重要的作用,为研究叶轮结构对离心压气机气动性能的影响,本文以船用涡轮增压器的离心压气机为研究对象,通过调整叶片前缘轮缘和轮毂侧叶片包角的大小从而实现叶片向其自身压力面和吸力面的偏转,并基于SST湍流模型对压气机气动性能和流场结构开展数值计算,结果表明:相较于轮毂侧的偏转,压气机气动性能对轮缘侧的偏转更为敏感,轮缘侧一定程度的偏转能通过减小叶片前缘激波损失、削弱动静干涉作用从而改善压气机内部流场,提升压气机的整体气动性能并一定程度上减小压气机的气动噪声。

某微型离心压气机回流器设计与流场分析

通过与某离心压气机匹配的回流器进行设计,及回流器内部流场模拟。根据压气机基本尺寸,对回流器进行二维尺寸设计。根据设计好的尺寸,进行三维建模。根据有限元软件,分别对回流器叶片数为8、9的回流器进行模拟,分析速度及压力流场。结果表明,增加回流器的叶片数,可以使回流器出口的压力分布、速度分布更加均匀,减小流动过程中的损失。回流器叶片数增多,出口的平均压力减小。

微型涡喷发动机离心压气机的性能计算及分析

文中对微型涡喷发动机的离心压气机进行了气动分析。采用商业仿真软件NUMECA对某微型涡喷发动机的离心压气机进行70%、80%、90%、100%转速的数值计算及流场分析。计算结果显示:不同转速下随着流量的减小,效率先增大后减小,压比逐渐增大。通过对流场分析得出:100%转速时,压气机的损失主要来源是叶轮主流叶片前缘的激波、叶轮叶顶吸力面附近的流动分离与堵塞、轴向扩压器前的轮毂侧和叶背的分离;对比其他转速,由于压气机前后级间存在匹配关系的变化,在离心压气机各部件流场恶劣趋势不同的情况下,90%转速相对于其他转速的流场损失较小,因此其效率更高。

基于FFD方法的离心压气机叶片优化设计与试验

为了改善离心压气机叶片多工况优化设计时面临的设计空间大、冗余搜索、灵活性不足、优化效率低等问题,提出了基于自由曲面变形技术(free form deform,FFD)的离心压气机复杂曲面叶片参数化方法,建立了叶片局部几何区域与三维空间网格控制体的映射模型,研究了样条曲线基函数几何特性对叶片几何构型的影响,实现了离心压气机叶片几何外形的局部精细化改型.结合B样条基FFD参数化方法、多目标进化算法和计算流体动力学对复杂叶片的局部区域进行了多工况气动寻优,优化结果表明:在满足约束条件的情况下,流场结构得到进一步的改善,额定工况和常用工况等熵效率分别提高了0.48%和0.40%,喘振裕度分别提升了1.6%和1.8%,利用较少的设计变量实现了离心压气机复杂曲面叶片高效灵活的精细化设计,为离心叶轮的气动优化设计提供了新的理论依据.

进口总压畸变在离心压气机中传播的非定常特性与时空演化过程

本文通过全周非定常三维CFD数值模拟方法研究了进口总压畸变在离心压气机中传播的非定常特性与时空演化过程。结果表明,主叶片在一个流动周期中通过畸变区域的过程是“低速流体团附着、沿伸、脱离”,分流叶片为“附着、扩大、消散”。畸变区造成的非匀速冲击使叶片承受较大的周期性交变应力,使得主叶片前缘对进口总压畸变引起的流场不均匀性更为敏感;总压畸变对离心叶轮中间叶高以下区域影响较小,但在靠近叶顶区域时,影响叶片压力面的静压分布,使其产生不均匀的压力波动;通过求解绝对坐标系下的时均流线,发现畸变主要影响叶展位置较大区域的流线,靠近叶顶区域的流线偏转程度较大,靠近叶根区域的流线最为均匀。

进口总压畸变条件下离心压气机流动失稳特性的数值研究

采用数值模拟方法对比分析了畸变进口与均匀进口条件下离心压气机的气动性能。结果发现,离心压气机展现出一定的抗畸变能力,总压畸变对压气机整体性能未造成显著影响。进一步的分析表明,在均匀来流条件下,随着流量的降低,主叶片和分流叶片之间的低速区逐渐向叶顶区域发展,阻碍主流流动,相互排挤并由叶顶间隙溢出;畸变来流条件下,在近失速工况点时,叶顶沿流向流动出现局部负速度,叶顶泄漏涡前移,在进口畸变产生的低压区内吸力面流动分离增大,进而演变出龙卷风涡阻塞流道,并影响到相邻叶片,引发前缘溢流;通过Q-准则方法发现,在畸变来流条件下,近失速工况下的涡结构分为前缘失速涡、叶顶间隙泄漏涡、通道涡和前缘溢出涡。

叶片前缘前掠对离心压气机性能的影响

为了研究叶片前缘倾掠对离心压气机性能及稳定工况范围的影响,在叶片前缘处沿子午面弦长方向进行前缘前掠,前掠角分别为5°,10°和15°,实现了3种不同前掠角的叶片前缘前掠叶形。仿真后处理分析表明:前缘前掠叶形可提高压气机最高等熵效率和压比,并且可提高其流量范围;在前缘前掠的基础上进行自由掠叶形设计,自由掠叶形表现出更高的等熵效率和压比,且自由掠叶形可降低叶轮进口处的激波强度,减少激波损失。经过台架试验验证后发现,自由掠叶形与无掠叶形相比等熵效率和压比均得到有效提升,且流量范围也得到了提升。

离心压气机叶片式机匣拓稳流动特性

内燃机功率提高以及高原、高空功率恢复的要求,推动着内燃机增压比不断提高,高增压技术成为先进内燃机发展的核心关键技术之一.提高压比将导致离心压气机稳定工作范围和效率急剧降低,高压比离心压气机的气动稳定性与扩稳成为高增压技术研究的核心和难点.为拓宽跨声速离心压气机的稳定工作范围,对一种离心压气机叶片式机匣处理结构开展了研究,利用数值模拟研究了叶片式机匣内部流动特性与拓稳机理,并对导叶形式进行了优化,最后通过试验进行验证,结果表明:采用优化的导叶机匣处理结构,能够有效拓宽离心压气机高压比流动范围,喘振流量可拓宽6%~8%.

低比转速离心压气机子午型线多目标优化设计

以某前/尾缘组合掠型低比转速离心压气机叶轮为研究对象,选取叶轮子午流道型线控制点坐标作为优化变量,结合拉丁超立方试验设计方法构建样本数据库。通过样本数据的训练,建立探索优化变量与气动性能之间非线性关系的Kriging预测模型。基于预测模型,采用SPEA–Ⅱ多目标优化算法进行多变量寻优,以实现设计工况和非设计工况下等熵效率最大化,并对叶轮流场进行整级计算和分析。优化结果表明:设计工况和非设计工况下,压气机等熵效率分别提高了2.69和0.45个百分点;整级压比在大流量工况有所提升,而在小流量工况略有降低;堵塞流量增大,稳定运行范围拓宽。从叶轮流场可以看出,优化后叶轮子午流道前段曲率减小,流道间隙泄漏和流动分离受到抑制;后端流道高度降低,流道扩压度减小,增加了出口处气流速度,低速流团的流动损失降低。

基于BP神经网络和NSGA-Ⅱ的离心压气机机匣处理槽参数优化

为获取离心压气机机匣处理槽的最优结构参数,针对某型离心压气机机匣处理的槽参数展开了优化工作,通过已有模拟数据建立BP神经网络预测模型,利用遗传算法(NSGA-Ⅱ)对槽的结构参数进行了多目标寻优工作。结果表明:优化后的结构参数为开槽宽度4 mm,槽中心位置为靠近叶轮前缘距离导风轮中段1.5 mm处。经过模拟分析,优化值对应的槽处理结构位置相对靠近叶轮前缘,使低速区域相对前移,改善了主通道内的流动情况,喘振边界在高转速下明显向小流量偏移,进一步拓宽了压气机稳定工作范围。

叶片倾角对燃料电池低比转速离心压气机性能的影响研究

建立了某燃料电池汽车专用低比转速离心压气机三维仿真模型,研究其叶轮叶片倾角对于压气机整体性能的影响作用与流动机理。研究结果表明:在设计工况点附近叶片倾角0°与20°时相比压气机压比、效率无明显变化,大流量下叶片倾角20°效率、压比均有所降低。低转速时叶片倾角改变对于压气机功率影响作用较小,但当转速提升至60000 r/min后,20°倾角相对0°倾角压气机整体功率下降了约2%。